JPH08153718A - 窒化シリコン膜を有する半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

窒化シリコン膜を有する半導体装置及びその製造方法

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JPH08153718A
JPH08153718A JP7255635A JP25563595A JPH08153718A JP H08153718 A JPH08153718 A JP H08153718A JP 7255635 A JP7255635 A JP 7255635A JP 25563595 A JP25563595 A JP 25563595A JP H08153718 A JPH08153718 A JP H08153718A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】紫外線透過性と低膜内応力を維持しつつ被覆性
の良い SiN膜及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 SiN膜を形成するプラズマＣＶＤ反応槽中
の反応ガスの成分のうち、シラン(SiH4)ガスとアンモニ
ア(NH3) ガスの割合が増大すると、反応に関与するガス
の反応性が高まり、シラン(SiH4)が多数連鎖状に連なる
程度に水素原子が結合した状態でプラズマ化され、成膜
前駆体として分子量が大きくなって基板上に堆積し、段
差を容易に埋める。その際、結晶粒界の平均面積、窒素
(N2)ガスに対するシラン(SiH4)ガス＋アンモニア(NH3)
ガスの比を規定して段差被覆率を高め、紫外線透過性の
特性を持たせるために、シラン(SiH4)／アンモニア(N
H3) の比を規定し、さらに膜生成時のＲＦパワー密度を
規定して低膜応力をも兼ね備える SiN膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、保護膜あるいは層
間膜等で紫外線透過を必要とする窒化シリコン膜を有し
た半導体装置及びその製造方法に関し、特に、紫外線消
去型ＲＯＭの絶縁膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、紫外線消去型ROM の保護用の絶縁
膜の一つとして窒化シリコン膜（以下SiN 膜と記す）が
用いられている。これはSiN 膜が図２０の模式図に示す
ような反応槽でプラズマＣＶＤ法により、450 ℃以下の
温度で形成可能であるため、つまりAl配線とSi基板との
反応が抑制できるためである。そして近年、この絶縁膜
の特性改善が追求されている。ここでSiN 膜は反応ガス
のプラズマ化によって形成され、その成膜条件は多数の
要素によって決まり、一律に望ましいSiN 膜を得る条件
というものが定まっていない。しかしながらその中で
も、特公昭63-53703号公報では、その組成比Si/Nを0.65
〜0.825 として、SiN 膜が波長300nm 以下の紫外線に対
して透明となるようにしている。この膜は組成比Si/Nが
0.65以下では化学的性質が劣化し、0.825 以上では紫外
線を透過しない性質をもつためである。しかし実際の紫
外線消去型ROM で使用される消去のための紫外線は波長
が約254nm である。従って、紫外線消去型ＲＯＭに使用
されるSiN 膜の吸収端波長を254nm よりも短くする必要
がある。
【０００３】また、特開平3-129734号公報において、上
記組成比0.65〜0.825 では下地に及ぼすストレスが大き
いという難点を指摘しており、下地に別のSiO2などの絶
縁層を設ける構造を提案している。一方、応用物理学会
誌（第50巻第 6号、P638〜649,1981年）の「プラズマＣ
ＶＤ技術と応用」では、この SiN膜自体の内部に大きな
内部応力を有することを指摘し、それが膜内に含有され
る水素原子量で決まる旨書かれており、かつ、水素含有
量が多いと圧縮応力が減少することを指定している。し
かし同時に水素原子を多く含むと同じSi/N比でも吸収端
波長が長くなり、紫外線透過の面で悪影響を及ぼすこと
がわかる。従って以上のことから総合的にみると、紫外
線消去型ROM の絶縁膜としては必要とされる条件を満た
すものが無かったということができる。
【０００４】この点について、水素原子の含有量をSi/N
比に対して規定した構成が特開平6-267941号公報で提案
されている。これにより装置絶縁膜として紫外線透過性
を有し、かつ低膜内応力の絶縁膜を提供することが示さ
れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、さらに
研究を進めた結果、次のことが判明した。即ち、この構
成の絶縁膜を実際のAl配線上に堆積させると、Al配線の
段差が少ない構成の場合は問題なく使用できる。しか
し、高段差の場合やAl配線が接近している場合のように
段差比が大きい場合には、段差内部に絶縁膜が入りにく
く、図６に示す断面図のように、段差の中央部に略三角
形の隙間３７が残留して、充填性が不足した構造とな
る。
【０００６】この場合には、SiN 膜の被覆性が著しく低
下してしまって、ボイドが発生したり、特に段差の底角
部から段差間中央部に向けて幅が10nm程度のスリット
（以下、「ナノスリット」という）が形成されてしまう
などの問題がある。特に、最近のLSI においては、配線
幅および配線間隔が狭く、段差比が大きくなっているの
で、上記のことが問題となる。
【０００７】ここで段差部に形成されるナノスリットと
は、従来製法により形成された SiN膜の断面ＴＥＭ（透
過型電子顕微鏡）写真の模式図（図６）において示され
る３８のことである。段差部に絶縁膜３５が堆積される
場合において、堆積していく成膜前駆体（シランとアン
モニアとが反応してできた-(Sil-Nm-Hn)のこと）が、シ
ャドウイング現象により、段差部の底角部にあたる部分
には届きにくいことから、底角部の部分を残すような形
で堆積が進み、残った部分が周囲の堆積で狭まって、極
細の間隙として形成される部分がナノスリットである。
そして、このナノスリット３８は逆Ｙ字形形状となるも
のであり、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）や断面ＦＥ
ＳＥＭ（電界放出型走査型電子顕微鏡）で観察すること
ができる。このような隙間には水分などが侵入して素子
の劣化や配線の腐食を早める原因となり問題である。
【０００８】従って本発明の目的は、紫外線透過性と低
膜内応力を維持しつつ被覆性の良い窒素シリコン膜を有
する半導体装置を提供すること及びその半導体装置の製
造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用効果】本発明者ら
は、上記目的を達成するため、SiN 膜の製造条件等から
種々検討を行った。その結果、組成比Si/Nを制御するだ
けではなく、SiN 膜表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で
観察したときに見られる膜表面の粒界の平均面積を制御
すれば上記目的を達成できることを初めて見いだした。
この点について詳述する。
【００１０】まず、図２１について、本発明が適用され
る紫外線消去型ＲＯＭの構造の一例を説明する。図面で
は紫外線消去型ＲＯＭのメモリ部のみが示されている。
この紫外線消去型ＲＯＭによれば、Si基板４１の中にポ
リシリコン膜から成るコントロール・ゲート４３とフロ
ーティング・ゲート４２とが積層されている。そして、
気相成長により形成されたボロン・リンシリケートガラ
ス膜からなる層間絶縁膜４４を通じて設けたコンタクト
ホールにAl配線４５が被着され、その後、最上面に保護
膜としてのSiN 膜（窒化シリコン膜）４６を形成する。
そして、このSiN 膜を形成する場合、図２０に示すプラ
ズマＣＶＤ装置を用いる。このプラズマＣＶＤ装置の真
空チェンバー内に原料ガスとしてシラン(SiH4)ガスとア
ンモニア(NH3) ガス、窒素(N2)ガスを導入し、下部電極
９３と上部電極９２の間にＲＦ電源により13.56 ＭＨｚ
の高周波電力を印加し、プラズマを発生させて、原料ガ
スを反応させて、SiN を基板上に堆積させる。
【００１１】本発明者らは、上記目的を達成する方法に
ついて次のように考察した。即ち、プラズマＣＶＤでSi
N を成膜する場合に、段差被覆性を支配している要因
は、プラズマ中でシラン(SiH4)ガスとアンモニア(NH3)
が反応してできた成膜前駆体が基板表面に到達したとき
の表面マイグレーション距離にあると考えられる。プラ
ズマＣＶＤ反応槽中の反応ガスの成分のうち、窒素(N2)
ガスの割合が減ると、反応に関与するガスの反応性が高
まり、シラン(SiH4)とアンモニア(NH3) の反応が促進さ
れて、SiとN の結合が多く、しかもH 終端の多い高分子
状態の成膜前駆体になると考えられる。このような前駆
体は基板表面との相互作用が弱く、基板表面上での表面
マイグレーション性が出ると考えられ、段差を容易に埋
める。
【００１２】また、従来の経験から、紫外線の吸収端波
長を波長254nm よりも短くするには、アンモニア(NH3)
ガスに対するシラン(SiH4)ガスの流量を小さくすること
で、含有H を少なくすれば良い。更に、膜応力を低い圧
縮応力にするために、前記のように表面マイグレーショ
ンを活発にすることにより応力緩和を実現し、同時に成
膜時のＲＦパワーを小さくすることによりイオンボンバ
ードメントの影響を少なくすれば良い。
【００１３】以上の考えをもとに、シラン(SiH4)ガス、
アンモニア(NH3) ガス、窒素(N2)ガス流量比、ＲＦパワ
ー密度について詳細に検討したところ、窒素(N2)ガスに
対するシラン(SiH4)ガス＋アンモニア(NH3) ガスの流量
比を0.0560以上、アンモニア(NH3) ガスに対するシラン
(SiH4)ガスの混合比を1.7 以下の条件下で成膜すること
で、吸収端波長が波長254nm よりも短く、段差被覆性が
良好であることを確認した。また、ＲＦパワー密度を1.
39〜2.06W/cm2 とすることで低応力が実現できることを
確認した。
【００１４】ここで、段差被覆性については、図１
（ａ）に示すような結果を得た。図１（ａ）及び図２に
おいて、段差被覆率とは、図５に示すSiN 膜の平坦部の
厚みａと段差部のSiN 膜の最も薄い部分すなわち段差部
２６にできたスリットの最もAl電極２４に近い距離ｂと
の比(b/a) で定義され、この段差被覆率が大きい程、良
い被覆状態である。そして、図２に示すように、この段
差被覆率が56％以上の領域は、加速劣化耐久試験（プレ
ッシャークッカーテスト等）で十分耐久性が出ているこ
とが判った。又、図１（ａ）及び図２に示す結果から、
（シラン(SiH4)ガス＋アンモニア(NH3) ガス）／窒素(N
2)ガス流量比Ｒ1 が0.0560以上であれば、耐久性のある
56％以上の段差被覆率を確保できることがわかる。
【００１５】本発明者らは、上記成膜条件で形成された
SiN 膜を詳細に調べることにより、上記目的を満足する
SiN の膜質を明らかにすることとした。その考え方を以
下に記述する。SiN の光学的な吸収端波長は組成比Si/N
とH 含有量から決まる。また、応力は膜組成（組成比Si
/NとH 含有量）と膜の結晶学的構造から決まると考えら
れる。段差被覆率は表面マイグレーションを表す物性か
ら決まると考えられる。結晶学的構造と表面マイグレー
ションを表す物性を明らかにするために種々の分析を行
い、ＡＦＭ（原子間顕微鏡）による表面形態を観察すこ
とでそれらが把握されることができることを明らかにし
た。その一例を図１５と図１７に示す。
【００１６】図１５はナノスリットの発生したSiN 膜の
表面形態をＡＦＭで測定した像であり、図１７はナノス
リットの発生しなかったSiN 膜の表面形態をＡＦＭで測
定した像である。SiN はアモルファス構造であるにもか
かわらず、金属薄膜と同様の結晶粒を形成していること
がわかる。表面マイグレーション性の高い段差被覆率の
良好なSiN 膜ほど、結晶粒の面積が大きくなっているこ
とがわかる。また、表面マイグレーション性の高い膜、
すなわち、平均粒径の大きなSiN 膜ほど成膜中に応力緩
和が起こり、低圧縮応力になると考えられる。
【００１７】この結晶状の粒界に囲まれた領域の平均面
積を求めてみたところ、図１５のSiN 膜では、2.9 ×10
4nm2となり、また図１７のSiN 膜では、5.3 ×104nm2で
あり、被覆率56％以上のものを調査したところ、4.5 ×
104nm2以上となることが分かった。即ち、上記目的を達
成するSiN 膜として、光学的吸収端波長を254nm よりも
短くし、膜表面の結晶状の粒界に囲まれた領域の平均面
積が4.5 ×104nm2以上とすることで、紫外線透過性を有
し、低応力であり、かつ、被覆性のよいSiN 膜が得られ
る。
【００１８】以上のように、光学的吸収端波長が254nm
より短く、段差被覆率が56％以上の窒化シリコン膜とす
ることで、紫外線が透過し、且つ、耐久性の高い膜を得
ることができ、例えば、紫外線消去型のＲＯＭ半導体装
置に応用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図５は、本発明を適用して、Si基板
１の絶縁膜(BPSG)２の表面上に配置されたAl電極２３、
２４を覆うように形成したSiN 膜２５の模式的な構成断
面図である。２つのAl電極２３、２４の間の段差部２６
がとくに被覆性の低下する部分であるが、この領域に形
成されたSiN 膜２５の形状は、段差中央上部から上に延
びる隙間部分２７が残されているだけとなっている。従
来、埋まりにくい段差底隅領域から延びるナノスリット
（図６の３８）は形成されなくなり、段差被覆性が向上
している。このような構成を実現するために、段差被覆
率を支配している要因であるプラズマ中の生成物（成膜
前駆体）の移動性を高めるように成膜する。
【００２０】段差被覆率は、図５に示すSiN 膜の平坦部
の厚みａと段差部２６にできたスリットの最もAl電極２
４に近い距離ｂとの比(b/a) で定義される。この段差被
覆率が大きいほど、良い被覆状態である。
【００２１】図１(a) は、（シラン(SiH4)ガス＋アンモ
ニア(NH3) ガス）／窒素(N2)ガス流量比Ｒ1 と段差被覆
率との関係を示す。又、図２は、段差被覆率と加速劣化
耐久試験（プレッシャクッカテスト）結果との関係を測
定したものである。このプレッシャクッカーテストは、
湿度90％、温度121 ℃C 、圧力2 気圧、バイアス実使用
電圧の条件下に96時間放置し、その後、図６における幅
50〜100 Å程度のスリットすなわちナノスリット３８が
あるかないか、およびリーク電流が0.5 μＡ以上流れる
かどうかを調べることで行われた。
【００２２】図１(a) に示すガス流量比と段差被覆率と
の関係は、ある特定の段差において段差被覆率を測定し
たものであって、上記に示した段差被覆率は、段差の形
状によって値が異なってくる。従って最適条件を求める
場合に、最も厳しい段差条件において確実に段差被覆率
が高くなる条件を必要とする。このような段差は様々考
えられているが、測定上の理由および経験等から、図５
に示すように、配線高さＡと配線間隔Ｂとの比が大体
１：２程度の形状を代表とする段差２６において、段差
被覆率および被覆形状の観察を行うことで、ほぼ定量的
に最適なSiN 膜成膜の条件を見いだすことができた。従
って、図１(b) 及び図２に示すデータは図５に示す模式
的断面形状について測定した結果である。
【００２３】図１(a) の主な測定点（ａ〜ｄ）について
述べる。データ点ａでは、被覆率が５０％程度で、図６
に示すようなナノスリットが断面ＴＥＭ写真で（図示は
しない）なおも観測されてやはり不合格であった。流量
比がわずかに大きいデータ点ｂでは、ほぼ図６に示す逆
三角形状の隙間３７が狭くなってはいるものの、なおも
わずかにナノスリットが認められ、加速劣化耐久試験で
は不合格を示した。そして、流量比の大きいデータ点ｃ
以上にて、上記加速劣化耐久試験に合格することが判明
した。
【００２４】図２に段差被覆率と耐久性試験結果との関
係を示す。また図３に流量比Ｒ1 と耐久性試験結果との
関係を示す。段差被覆率が５６％以上のときに耐久性試
験は合格となり、また、流量比Ｒ1 が0.0560以上のもの
については、耐久試験は合格となった。従って、段差被
覆率ｂ／ａが56％以上であれば、段差被覆性が良好であ
るといえる。
【００２５】また、図５のような成膜にとって厳しいと
言える段差形状で、耐久性が保証される範囲として、
（シラン(SiH4)ガス＋アンモニア(NH3) ガス）／窒素(N
2)ガス流量比Ｒ1 は0.0560以上であればよいことが判明
した。なお、半導体装置の段差形状によっては、この流
量比よりも少ない領域で段差被覆率が56％を越えること
もある。しかし段差被覆率を上げにくい段差構造で調べ
ているため、どのような状況の段差においても確実に合
格となる範囲は上記に示す流量比が0.0560以上であると
判定できる。
【００２６】すなわち図５に示す様な段差部２６にSiN
膜が堆積される場合において、堆積していく成膜前駆体
である、シラン(SiH4)とアンモニア(NH3) の反応生成物
-(Sil-Nm-Hn)の分子量が小さいと、基板表面との相互作
用が強く、移動性が低いため、段差部２６の隅にあたる
部分には届きにくく、隅の部分を残すような形で堆積が
進むと考えられる。そこで、基板表面との相互作用が弱
く、移動性が高いと考えられる高分子の成膜前駆体-(Si
l-Nm-Hn)k を得るようにすればよいと考えられる。
【００２７】プラズマＣＶＤ法において、反応槽内では
シラン(SiH4)とアンモニア(NH3) および窒素(N2)ガスと
の混合ガスが、ＲＦ電源の放電エネルギーによってプラ
ズマ化されて分解が進み、生成物（成膜前駆体）を作り
ながら基板に到達して堆積していく。このプラズマ状態
のうちに反応ガスの会合確率を高めて成膜前駆体の分子
量を大きくし、しかも H終端の多い構造とするように、
従来よりも反応の度合いを大きくさせる。このために、
混合ガスの窒素(N2)ガスの比率を少なくしていくと、す
なわちシラン(SiH4)、アンモニア(NH3) の流量比を大き
くすると、プラズマ中で成膜前駆体-(Sil-Nm-Hn)が大き
くなって高分子化した-(Sil-Nm-Hn)kが得られると考え
られる。
【００２８】このｌ，ｍ，ｎ，ｋの値は原子の個数を示
し、これらの値はもちろん一律ではなく、適度な分布を
持つことになるが、詳しい値が観測されているわけでは
ない。しかし、窒素(N2)ガスの存在確率が小さくなれ
ば、当然シラン(SiH4)ガス、アンモニア(NH3) ガスの存
在確率が高くなり、それらの会合確率が高まるので、反
応が進むと考えられる。
【００２９】このようにして形成した SiN膜２５の被覆
率が向上していることは、断面のＳＥＭ写真もしくはＴ
ＥＭ写真をとって確認する。成膜した形状をそのまま断
面を形成してＴＥＭ写真を撮ってもよいが、ナノスリッ
トは文字通り微細なので観測しにくい。そこで次のよう
にして確認しても良い。図５に示されるような形状のサ
ンプルで SiN膜を形成したのち、１：１ＨＦ（水とフッ
酸混合液）によるエッチングで、平坦部分と段差部分と
のエッチングレートの比を求めるようにする。すなわ
ち、成膜した状態から一定時間エッチングを行って、そ
の状態の断面のＳＥＭ写真を撮って平坦部と段差部のエ
ッチングレートの比をはかり、その値を比較する。従来
の図６に示すようにナノスリット３８が形成されている
と、エッチング液が浸透するため、エッチングが早く進
み、平坦部に比べて段差部は大きく穿たれることにな
る。従って、平坦部と段差部とのエッチングレート比が
小さくなれば、ナノスリットは縮小しており、被覆性が
向上していると判定できる。
【００３０】図７は、本発明方法で形成された図５に示
すようなSiN 膜をエッチングした後の断面のＳＥＭ写真
の模式図であり、図８は、従来方法で形成された図６に
示すようなSiN 膜をエッチングした後の断面のＳＥＭ写
真の模式図である。尚、図は模式図であるので、エッチ
ングによる寸法変化や比率を正確には示していない。図
７、図８において、エッチング後の段差部に凹部５７、
６７が形成されているのが分かる。この凹部５７、６７
の形状は、それぞれの場合において、平坦部と段差部の
エッチングレート比を反映したものである。凹部５７、
６７の形状の比較からも明らかなように、本発明ではナ
ノスリットの存在がほとんどないために、エッチングさ
れにくく、充填性すなわち段差被覆率が良好であること
がわかる。
【００３１】また窒素(N2)ガスの流量を減少させていく
と、段差被覆率は向上するものの、成膜時の圧力維持が
不可能になるなどで、紫外線透過性や低膜内応力が実現
しなくなることがわかった。この点について、検討した
ところ、流量比Ｒ1 、即ち、（シランガス＋アンモニア
ガス）／窒素ガスが、0.140 までは紫外線透過性がよ
く、また低応力なSiN 膜が得られた。しかし、窒素ガス
の流量をさらに減少させていくと、槽内圧力が安定しな
くなり、紫外線透過性が劣化してしまい、実用的なSiN
膜が形成されにくくなってしまう。
【００３２】図４は図１に示したａ〜ｅのサンプルの吸
収端波長を調べたものである。図４から耐久試験に合格
したｃ〜ｅのサンプルの吸収端波長が 254nmよりも短い
ことが分かる。しかしながら、流量比Ｒ1 が大きくなっ
てくると、吸収端波長も長くなることが分かる。流量比
Ｒ1 が0.14で吸収端波長は236nm となり、流量比Ｒ1が
0.14よりも大きくなると吸収端波長が安定して254nm 以
下にならなかったり、槽内の圧力が安定せず、SiN 膜の
膜応力に問題が生じるといったことがある。
【００３３】従って、基板温度やＲＦパワー密度等の他
の要因で調整したとしても、(SiH4+NH3)/N2 の流量比Ｒ
1 の上限値はせいぜい0.14程度である。これ以上の値に
なると、紫外線透過性、膜応力の観点から実用的なSiN
膜が得られなくなる。
【００３４】次に、SiN 膜の膜応力について説明する。
SiN 膜の膜応力は、条件を変えることで、圧縮応力から
引っ張り応力まで幅広く変化させることができる。しか
しながら、膜応力を引っ張り応力側に調整すると、SiN
膜にクラックが入りやすくなるため、膜応力は圧縮応力
側にする必要がある。そして、SiN 膜の膜応力は、特に
ＲＦパワー密度と槽内圧力によって大きく変化する。以
下にＲＦパワー密度と膜応力、および槽内圧力と膜応力
との関係を説明する。
【００３５】図９にＲＦパワー密度と膜応力との関係を
示す。また、図１０に槽内圧力と膜応力との関係を示
す。どちらもサンプル数は40程度である。図９，１０に
おいて、縦軸の膜応力は、圧縮応力を正の値とし、引っ
張り応力を負の値とし、また、図中の直線は、データ値
から最小２乗法によって求めた回帰直線である。図９か
ら、ＲＦパワー密度が低下するにつれて、膜応力は引っ
張り応力側へ低下していることが分かる。逆に図１０か
ら、槽内圧力が低下するにつれて、膜応力は圧縮応力側
へシフトしているのが分かる。
【００３６】この膜応力は、他にSiH4/NH3流量比Ｒ2 に
よっても変化する。しかし、その変化度合は、ＲＦパワ
ー密度や圧力の場合に比べると十分小さいものである。
ＲＦパワー密度の場合、ＲＦパワー密度が低下すると、
膜応力も圧縮応力側から引っ張り応力側にシフトする。
また、槽内圧力や流量比Ｒ2 は、これらの値が低下する
方向で、膜応力は引っ張り応力側から圧縮応力側にシフ
トし、ＲＦパワー密度とは逆の傾向を示す。従って、Ｒ
Ｆパワー密度、槽内圧力、流量比Ｒ2 をコントロールす
ることで、膜応力を調整することができる。
【００３７】例えば、一部のデータを基に他の条件を一
定にして、ＲＦパワー密度、槽内圧力、流量比Ｒ2 をそ
れぞれ独立に変化させたときの膜応力変化量を求めてみ
た。ＲＦパワー密度の場合、1000MPa/W/cm2 、槽内圧力
の場合、-320MPa/Torr、流量比Ｒ2 の場合、-69MPa/ Ｒ
2 となった。尚、この値はあくまで参考程度であり、変
化の度合いなどの傾向を示すものである。
【００３８】しかしながら、ＲＦパワー密度、槽内圧
力、流量比Ｒ2 は、それぞれ独立して膜応力を調整でき
るものではなく、互いに影響しているので、その調整は
単純にはできない。尚、ＲＦパワー密度は、紫外線透過
性にはあまり影響をおよぼさないため、所望の膜応力を
得るための必要範囲が求められる。図９において、パワ
ー密度が1.7 W/cm2 以下で引っ張り応力側にシフトして
いるサンプルも、槽内圧力や流量比Ｒ2 を紫外線透過性
を考慮して上昇させることで、圧縮応力側へシフトさせ
ることができ、パワー密度を1.39W/cm2 まで低下させる
ことができた。それよりパワー密度を低下させた場合に
は、槽内圧力や流量比Ｒ2 を紫外線透過性を考慮して調
節しても膜応力を圧縮応力側へシフトさせることができ
なかった。
【００３９】また、圧縮応力側でも膜応力を200MPaより
小さくすることが望ましい。SiN 膜をAl配線上に形成す
る場合、SiN 膜の応力によってAl配線にAlボイドと呼ば
れる欠陥が発生することを考慮しなければならない。そ
して、配線幅2 μｍ以下のAl配線に対して、ボイドが実
質的に発生しないSiN 膜を形成するためにはSiN 膜の応
力値200MPaよりも小さくする必要がある（特開平6-3339
22号公報参照）。図９を見ると、膜応力を200MPa以下と
するためには、ＲＦパワー密度を1.85W/cm2 以下にする
必要がある。そこで、槽内圧力や流量比Ｒ2 を紫外線透
過性を考慮して減少させることで、膜応力を200MPaとす
るためにＲＦパワー密度を2.06まで上昇させることがで
きる。なお、被覆性や紫外線透過性の要因が最も良い状
態とするために槽内圧力やSiH4/NH3流量比Ｒ2 を所定値
にする際には、ＲＦパワー密度を1.60〜1.80W/cm2 にす
ることが望ましい。
【００４０】また、槽内圧力においては、図１０に示す
ように、槽内圧力が増加するにつれて膜応力が引っ張り
側へシフトしていくことが分かる。尚、図１０にて槽内
圧力が 5.2Torrの時に膜応力が600MPaとなっているもの
があるが、これは、ＲＦパワー密度が2.167W/cm2と大き
いときである。また、図９においてもパワー密度が1.7W
/cm2のときに、膜応力が800MPaとなっているものがある
が、これは槽内圧力が3.0Torr と小さいときであった。
従って、膜応力にはＲＦパワーおよび槽内圧力が大きく
影響しており、膜応力を槽内圧力のみ、あるいは、ＲＦ
パワー密度のみで決められるものではない。
【００４１】また、図１１に槽内圧力を変化させたとき
の紫外線（図中ではＵＶ）が透過するかそうでないか
を、紫外線を照射した場合にＥＰＲＯＭのフローティ ン
グゲートから電子が消去される時間と吸収端波長が254n
m よりも短いか長いかで評価した。この評価基準は後で
説明する。図１１から、5.0Torr が紫外線が透過する場
合と、透過しない場合との境界であることが分かる。
【００４２】尚、槽内圧力が5.0 、あるいは、5.2Torr
で紫外線を透過しなかった理由として、SiH4/NH3流量比
Ｒ2 が、2.0 よりも高かったことが挙げられる。尚、槽
内圧力が3.0Torr あるいは6.0Torr 付近のところに見ら
れる白丸は、ＥＰＲＯＭの電子消去特性を試験したもの
ではなく、光学的吸収端波長が254nm よりも短いか長い
か評価したものである。図中で光学的吸収端波長が254n
m よりも短いときは、紫外線が透過する方とし、光学的
吸収端波長が254nm よりも長いときは紫外線が透過しな
い方とした。尚、図１１では、光学的吸収端波長につい
て３つしかデータが見られないが、実際には、多数存在
しており、紫外線が透過したかしないかを記した黒丸と
重なったため、図中では見えなくなっている。
【００４３】光学的吸収端の観点から図１１を見ると、
紫外線透過性は、槽内圧力が6.0Torr のところまで良か
ったことが分かる。更に、図１０の膜応力との関係か
ら、ＲＦパワー密度等を考慮して応力を200MPa程度とす
るためには、槽内圧力を6.0 以下にすることが望まし
い。以上から、槽内圧力を5.0 〜6.0Torr にするとよ
い。尚、この時、光学的吸収端波長は、254nm よりも短
くなり、210 〜240nm とすることができた。以上から、
槽内圧力が、膜応力や紫外線透過性に影響を及ぼすこと
がわかる。
【００４４】しかし、前述したように、(SiH4 ＋NH3)／
N2の流量比Ｒ1 が0.14を越えると、槽内圧力が不安定に
なることで、ＵＶ透過性が低下したり、SiN 膜の膜応力
が所望の範囲内に制御できなかったりする。よって、槽
内圧力の関係から流量比Ｒ1は、その上限を0.14とする
のが望ましい。
【００４５】次に、SiH4/NH3流量比Ｒ2 に関する紫外線
透過性について検討する。この紫外線透過性の良否判定
は波長が約254nm の水銀ランプをＥＰＲＯＭに照射して
30分以内にフローティングゲートから電子が消去された
かどうかによって判定した。この30分というのは、実用
的な消去工程として設定できる最大の時間としてみなし
たものである。この結果、図１２に示すように、SiH4/N
H3流量比Ｒ2 が1.7 までは、良好な消去特性を示したが
それよりも大きくなると消去時間が30分を大きく超えて
しまい（流量比Ｒ2 が2.0 で5 時間程度）、実用的でな
いことが判明した。
【００４６】尚、図中で流量比Ｒ2 が1 のときに紫外線
が透過しなかったのは、槽内圧力が4.5Torr と低かった
ためと考えられる。また、図中の白丸は、図１１と同様
に、光学的吸収端波長が254nm よりも短いか長いかをみ
たものであり、流量比Ｒ2 が大きいと、光学的吸収端波
長が254nm よりも長くなることが分かる。また、図１３
に示すように、光学的吸収端波長を調べてみたところ、
流量比Ｒ2 が1.7 を越えると、吸収端波長が254nm より
も長くなることがわかる。以上のことから、光学的吸収
端波長を254nm よりも短くするためには、SiH4/NH3流量
比Ｒ2 を1.7 よりも小さくすればよいことが分かる。
【００４７】また、逆に、流量比Ｒ2 を小さくしていく
と、図１４に示すように、膜密度が低下してしまう。こ
の膜密度が低下すると、膜質が低下し、エッチングレー
トが増加するなど、保護膜の特性として好ましくない。
この点を考慮して、流量比Ｒ2 の下限は、0.8 程度とな
る。以上のことから、SiH4/NH3流量比Ｒ2 は0.8 〜1.7
とするのが望ましい。尚、このとき、光学的吸収端波長
は、254nm よりも短くなり、210 〜240nm とすることが
できた。
【００４８】このような条件を満たす SiN膜２５の形成
方法は、一例として次のような主な工程で成膜される。
プラズマＣＶＤによるSiN 膜の成膜には、７つの要因が
関与しており、それらの相互作用で成膜状態が決定され
る。その７つの要因とは、ＲＦパワー密度、シランガス
流量、アンモニアガス流量、窒素ガス流量、基板温度、
反応ガス圧力、および電極間距離である。この内、電極
間距離は発明者らの調査で段差被覆率に大きな影響が無
く、ここでは特定せずに固定して成膜するものとする。
以上のように関係する要因が多数あることから、最適成
膜条件として規定することが難しく、十分解明されてい
ない。しかしながら、幾つかの条件が経験的に明らかに
されたので、そのうち実施例に適応した条件を示す。
【００４９】(1) まず図２０に示すような、プラズマＣ
ＶＤ装置の反応槽９１内の下部電極９３上に、成膜する
半導体装置の基板１を設置する。 (2) 反応槽９１内を排気バルブ９７から真空にして、上
部電極を兼ねた反応ガス導入口９２から、シラン(SiH4)
ガス、アンモニア(NH3) ガス、窒素(N2)ガスの混合ガス
９５を導入する。このとき、例えばシラン(SiH4)ガス75
sccm、アンモニア(NH3) ガス65sccm、窒素(N2)ガス1500
sccmといった流量、槽内圧力 5Torr程度に設定する。こ
の場合、シラン(SiH4)・アンモニア(NH3) ／窒素(N2)の
流量比は約0.09となり、充分被覆率を高める条件となっ
ている。また、ＵＶ透過性を決めるシラン(SiH4)／アン
モニア(NH3) 比は約1.1 であり、充分ＵＶ透過性が保証
される。 (3) 半導体基板を乗せた下部電極９３をヒータ９６で温
めて半導体基板１をおよそ360 ℃に維持し、プラズマ９
８を発生させるＲＦ電源９４のパワーを適度に1.60〜1.
80W/cm2 にとって成膜を実施する。このようにして、屈
折率1.91±0.01の良質な SiN膜２５が得られる。尚、パ
ワー密度は、ＲＦ電源９４から生じるパワー（Watt）を
基板１が搭載される下部電極９３の面積で割った値であ
る。
【００５０】なお、上記に示した条件のうち、ＲＦパワ
ー密度は1.39〜2.06W/cm2 、槽内圧力は5.0 〜6.0Torr
、基板温度は300 〜360 ℃、シラン(SiH4)ガス流量は6
0〜100sccm 、アンモニア(NH3) ガス流量は50〜120sccm
、窒素(N2)ガス流量は1000〜3500sccm、として条件に
あわせるようにしてもよい。
【００５１】さらに、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）でSiN 膜
の表面を観察してみたところ、図１５〜図１８に示され
るように、表面形状にも特徴点を見いだすことができ
た。尚、今回使用したＡＦＭは、Digital instruments
Inc.社製のNanoscope IIであり、カンチレバーにはAu-C
o コーティングのSi3N4 を用いた。
【００５２】図１５は、ナノスリットの発生したSiN 膜
の表面形態をＡＦＭで観測した像であり、図１７はナノ
スリットの発生しなかったSiN 膜の表面形態をＡＦＭで
観測した像である。これらの像からプラズマによって生
成したSiN 膜は、アモルファス構造であるにも関わら
ず、スパッタリンッグや蒸着により形成したAlやTi，Si
などの多結晶膜と同様の表面形態を示し、結晶粒状の集
合体であることが分かる。これらの結晶粒状の境界の最
も高さの低い点を結晶粒界と定義し、これら結晶粒界に
囲まれた部分を結晶粒と定義する。図１６及び図１８
は、それぞれ図１５及び図１７から結晶粒をＡＦＭ像か
らトレースしたものである。この結晶粒のＡＦＭ像から
見た面積を画像処理によって計算し、これを結晶粒面積
と呼ぶこととする。画像処理によって観察したのはSiN
膜表面面積2000nm×2000nm内に存在する結晶粒全てにつ
いて計算し、その平均値を調べた。これを平均結晶粒面
積と呼ぶこととする。
【００５３】図１５及び図１７に示される平均結晶粒面
積は2.9 ×104nm2と5.3 ×104nm2であった。また、上記
条件で成膜したSiN 膜について調べたところ、平均結晶
粒面積は4.5 ×104 nm2 以上となることが分かった。図
１９には、図１で示されたサンプルの各平均結晶粒面積
を求めたものを示した。(SiH4 ＋NH3)／N2流量比Ｒ1が
0.0560であるサンプルｃの面積が 4.5×104nm2となり、
流量比Ｒ1 が0.14であるサンプルｅの面積が 1.1×105n
m2となった。即ち、平均結晶粒面積が4.5 ×104 nm2 以
上のSiN 膜は、紫外線透過性を有し低圧縮応力であり、
且つ、被覆性のよいSiN 膜となると言える。
【００５４】（第二実施例）紫外線消去型ROM であるEP
ROM 等の不揮発性記憶素子を有する半導体素子におい
て、記憶を消去して閾値電圧を再び低くするには、紫外
線（以下ＵＶと記す）光照射が用いられている。図２１
は、そのようなEPROM の一部を示す模式的な断面構成図
である。その構成は、Si基板４１上にフローティングゲ
ート４２およびコントロールゲート４３がセルフアライ
ンで絶縁層を介して形成され、層間絶縁膜４４で保護さ
れている。さらにAl配線４５が施され、その上に最終保
護膜として本発明の、プラズマＣＶＤ法で成膜された S
iN膜４６が形成されている。
【００５５】このフローティングゲート４２に電荷が溜
まり、記憶状態となった装置に対して SiN膜４６の上か
ら波長が約254nm のＵＶ線を照射して電荷を放出させ、
記憶状態を開放させる。この SiN膜４６は構成元素であ
るSiとN の比 Si/N を小さくしてあり、膜中のSi-Si 結
合量が小さくしてあるため、ＵＶ線透過率は大きくなっ
ている。また、近年の微細配線（例えば線幅２μｍ以
下）を適用したＩＣのAlボイド抑制の観点から SiN膜４
６の膜応力を200Pa 以下の圧縮応力にすることがよく、
ここで用いている SiN膜４６もそのように成膜したもの
である。さらに本発明においては、上記の条件に加え
て、段差被覆率の良い条件で SiN膜４６を成膜してある
ため、図２１中に何箇所か見受けられる段差部にナノス
リットが形成されることなく、３つの条件を兼ね備えた
保護膜で装置が保護され、耐久性、信頼性が向上してい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】SiN膜を成膜するプラズマＣＶＤ法における、
段差被覆率のSiH4+NH3／N2比依存性を測定した特性図。
【図２】SiN膜の耐久性試験結果とその膜の段差被覆率
との関係を測定した特性図。
【図３】SiN膜の耐久性試験結果とSiH4+NH3／N2比との
関係を測定した特性図。
【図４】SiN膜の吸収端波長とSiH4+NH3／N2比との関係
を測定した特性図。
【図５】本発明を適用して成膜した SiN膜の断面ＳＥＭ
写真の模式図。
【図６】従来の製法による SiN膜の断面ＳＥＭ写真の模
式図。
【図７】1:1HF エッチングを行った本発明SiN 膜の断面
ＳＥＭ写真の模式図。
【図８】1:1HF エッチングを行った従来SiN 膜の断面Ｓ
ＥＭ写真の模式図。
【図９】プラズマＣＶＤにおけるパワー密度と成膜され
たSiN 膜の膜応力との関係を測定した特性図。
【図１０】プラズマＣＶＤにおける反応槽内の圧力と成
膜されたSiN 膜の膜応力との関係を測定した特性図。
【図１１】プラズマＣＶＤにおける反応槽内の圧力と成
膜されたSiN 膜の紫外線透過及び吸収端との関係を測定
した特性図。
【図１２】プラズマＣＶＤにおけるSiH4/NH3比と成膜さ
れたSiN 膜の紫外線透過及び吸収端との関係を測定した
特性図。
【図１３】プラズマＣＶＤにおけるSiH4/NH3比と成膜さ
れたSiN 膜の吸収端波長との関係を測定した特性図。
【図１４】プラズマＣＶＤにおけるSiH4/NH3比と成膜さ
れたSiN 膜の膜密度との関係を測定した特性図。
【図１５】ＡＦＭにより観測されたナノスリットが存在
したSiN 膜の表面の結晶構造を示す写真。
【図１６】その写真の像のトレースにより結晶粒界を示
した説明図。
【図１７】ＡＦＭにより観測されたナノスリットが存在
しないSiN 膜の表面の結晶構造を示す写真。
【図１８】その写真の像のトレースにより結晶粒界を示
した説明図。
【図１９】プラズマＣＶＤにおけるSiH4+NH3／N2比とグ
レイン面積との関係を測定した特性図。
【図２０】プラズマＣＶＤ反応槽の模式図。
【図２１】第二実施例のEPROM の模式的構成断面図。
【符号の説明】
１ Si基板 ２ ＢＰＳＧ ２３、２４ Al配線 ２５ Si3N4 膜（SiN 膜） ２６ 段差部 ２７、３７ 隙間部分（スリット） ３８、３９ ナノスリット ５７、６７ エッチング後の隙間部分 ９１ プラズマＣＶＤの反応槽 ９２ 反応ガス導入口を兼ねた上部電極 ９３ 下部電極 ９４ ＲＦ電源 ９６ ヒータ ９７ 排気バルブ ９８ プラズマ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/788 29/792 (72)発明者 深沢 剛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 黒柳 晃 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 山岡 徹 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】紫外線照射を必要とする素子を覆う窒化シ
    リコン膜（SiXNYHZ)であって、この窒化シリコン膜の光
    学的吸収端波長が254nm よりも短く、この窒化シリコン
    膜表面に現れる結晶状粒界に囲まれた領域の平均面積が
    4.5 ×104nm2以上であることを特徴とする窒化シリコン
    膜を有する半導体装置。
  2. 【請求項２】前記素子は、紫外線照射によって記憶内容
    が消去される記憶素子である請求項１に記載の窒化シリ
    コン膜を有する半導体装置。
  3. 【請求項３】基板上に形成され、平坦部とパターニング
    されたエッジ部とを有する配線と、 基板に形成され、紫外線照射を必要とする素子と、 前記配線と素子とを覆うように前記基板上に形成され、
    光学的吸収端波長が254nm より短い窒化シリコン膜と、 を有し、前記配線の平坦部上の前記窒化シリコン膜の厚
    さをａ、前記配線のエッジ部からの前記窒化シリコン膜
    の最小厚さをｂとして、 ｂ／ａが５６％以上であることを特徴とする窒化シリコ
    ン膜を有する半導体装置。
  4. 【請求項４】紫外線照射を必要とする素子を覆う窒化シ
    リコン膜（SiXNYHZ)の製造方法であって、シラン(SiH4)
    ガス、アンモニア(NH3) ガス、窒素(N2)ガスの混合ガス
    のプラズマ化によって形成するものであり、 前記窒素ガスに対するシランガス＋アンモニアガスの流
    量比を0.0560以上とし、 前記アンモニアガスに対するシランガスの流量比を1.7
    以下としたことを特徴とする窒化シリコン膜を有する半
    導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】前記プラズマを生成するためのＲＦパワー
    密度が1.39〜2.06W/cm2 である請求項４に記載の窒化シ
    リコン膜を有する半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】前記プラズマを生成する生成室内の圧力を
    5.0 〜6.0Torr とする請求項４又は請求項５に記載の窒
    化シリコン膜を有する半導体装置の製造方法。
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